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文檔簡介

第二章粘性土的物理化學性質內容提要

本章主要討論決定粘性土的宏觀物理化學性質的微觀結構特征。主要包括:

鍵力的基本概念粘土礦物顆粒的結晶結構粘土顆粒的膠體化學性質粘性土工程性質的利用和改良粘性土特有的性質及成因

粘性土隨著含水量的不同會呈現(xiàn)不同的物理狀態(tài)。這種性質主要取決于粘粒粒組的含量與粘粒的礦物成分。比表面積

所謂比表面積就是單位體積內顆粒表面積的總和。顆粒越細,比表面積越大,表面能越大。粘土礦物的粒徑小于0.005mm,具有很大的比表面積。粘性土物理化學特性的本質粘土礦物可分為蒙脫石、伊利石和高嶺石三種類型。它們各自具有不同的結晶結構特征。結晶結構特征:即組成礦物的原子和分子的排列以及它們之間的聯(lián)結力。粘性土的各種工程性質(可塑性、壓縮性、強度等)主要受組成粘性土的粘土礦物的結晶結構特征以及礦物顆粒與周圍介質的相互作用所制約。鍵力第一節(jié)鍵力的基本概念

所謂鍵力是指組成粘土礦物的原子與原子之間或分子與分子之間的一種聯(lián)結力。鍵力的類型:化學鍵分子鍵氫鍵化學鍵

原子與原子之間的聯(lián)結稱為化學鍵,也稱為主鍵或高能鍵。根據(jù)聯(lián)結的形式又可分為離子鍵、共價鍵和金屬鍵三種。離子鍵

離子鍵是一種化學聯(lián)結。不同元素的原子通過化學反應,一種元素的原子失去其最外電子層中的一個或多個電子成為陽離子,而另一種元素的原子獲得一個或多個電子成為陰離子。

陽離子與陰離子之間的靜電引力所形成的鍵力即為離子鍵。

離子鍵是無方向性的。共價鍵

共價鍵是同一種元素的兩個原子以共有的外層電子聯(lián)結而成同種元素的分子。共價鍵是有方向性的,方向角稱為鍵角。金屬鍵

金屬元素中的自由電子將金屬原子或離子聯(lián)結而成金屬晶格,這種聯(lián)結力即為金屬鍵。總結不同元素的原子通過化學反應構成一種新的物質分子,異性原子之間的聯(lián)結力稱為離子鍵。兩個同性原子形成同一元素分子的聯(lián)結力稱為共價鍵。通過自由電子將原子或離子聯(lián)結成金屬晶格的聯(lián)結力為金屬鍵。

離子鍵、共價鍵和金屬鍵都屬于主鍵。主鍵的影響范圍最小,約為0.1~0.2μm,而其聯(lián)結能最大,相當于8.4~84J/kmol??偨Y分子鍵分子鍵又稱范德華(VanDerWaals)鍵或次鍵、低能鍵。所謂分子鍵就是指分子與分子之間的聯(lián)結力。分子間鍵力的影響范圍比離子鍵力大得多,約為0.3~10μm,但其鍵能則比離子鍵能小得多,約為2.1~21J/kmol。分子鍵的形成與影響因素由于分子的正電荷與負電荷的分布不對稱形成極性分子,在極性分子間相反電荷的偶極端相互接近時相互吸引就產生分子鍵。分子鍵的產生是與分子的定向作用、誘導作用和分散作用有關。分子鍵的能量大小與溫度有關,當溫度升高時,其能量就減小。氫鍵氫鍵是介于主鍵和次鍵之間的一種鍵力。氫原子失去一個電子成為一個裸露的原子核,當它與帶負電荷的原子相互吸引時,即構成特殊的氫鍵。由于氫離子尺寸小,只允許與兩個相鄰原子靠攏,故氫鍵只能連接兩個原子。氫鍵的影響范圍很小,約為0.2~0.3μm,鍵能達21~42J/kmol。鍵力與強度土粒本身的強度是由主鍵形成的;土粒與土粒之間、土粒與水分子之間的吸引力由次鍵和氫鍵形成;土粒之間的聯(lián)結力遠小于土粒本身的強度,土體的強度主要取決于土粒之間的聯(lián)結。第二節(jié)粘土礦物顆粒的結晶結構粘土礦物結晶結構組成粘土礦物結晶結構的基本結構單元:硅氧四面體氫氧化鋁八面體(三水鋁石八面體)硅氧四面體晶體單元四個氧離子構成一個等邊的四面體,四面體四個面均為等邊三角形,在四面體的中心位置有一個硅離子。(硅-氧四面體)六個硅-氧四面體組成一個硅片,每個四面體底面上有一個氧離子與相鄰四面體共用。氫氧化鋁八面體結晶單元由6個氧或氫氧離子以相等的距離排列,鋁原子居中。(鋁—氫氧八面體)4個鋁—氫氧八面體組成一個鋁片,每個氫氧離子都被相鄰兩個鋁離子所共有。粘土礦物的結晶結構

粘土礦物根據(jù)四面體片(硅片)與八面體片(鋁片)的不同組合堆疊形式,形成了三種主要的粘土礦物:高嶺石蒙脫石伊利石高嶺石由一個四面體片與一個八面體片重復堆疊而成。稱為1:1型結構單位層,也稱為二層結構型。蒙脫石由兩個四面體晶片中間夾一個八面體晶片堆疊而成。稱為2:1型結構單位層,亦稱為三層結構型。蒙脫石伊利石伊利石的晶格構造與蒙脫石相似,同屬2:1型結構單位層,但在四面體片之間六角形網格眼中央嵌有一個鉀離子。三種粘土礦物物理性質的比較粒徑比表面積脹縮性強度壓縮性大10-20m2/g小大小中80-100m2/g中中中小800m2/g大小大高嶺石伊利石蒙脫石9克蒙脫土的總表面積大約與一個足球場一樣大三類粘土礦物工程性質的比較礦物顆粒的直徑:高嶺石>伊利石>蒙脫石。蒙脫石的比表面積為高嶺石的80倍,為伊利石的10倍。蒙脫石塑性指數(shù)可達100~650;壓縮性為高嶺石的5~15倍;有效內摩擦角也最小。分析

四面體片和八面體片之間都是共用一個原子,所以四面體片與八面體片間的鍵力為主鍵聯(lián)結,但結構單位層間的聯(lián)結則比較薄弱。當具有不同晶體結構的粘土礦物與周圍介質接觸時,就會顯示出不同的工程性質。高嶺石的物理性質高嶺石類粘土礦物中,結構單位層之間為氧與氫氧或氫氧與氫氧離子相聯(lián)結,單位層與單位層之間除范德華鍵外,還有氫鍵,能提供較強的聯(lián)結力。高嶺石在水中,結構單位層之間不會分散,晶格活動性小,浸水后結構單位層間的距離變化很小,所以高嶺石的膨脹性和壓縮性都很小。蒙脫石的物理性質蒙脫石類粘土礦物中,結構單位層之間為氧與氧聯(lián)結,其鍵力很弱,易為具有氫鍵的強極化水分子楔入所分開。組成蒙脫石類粘土礦物的八面體結構單元中會產生水化陽離子,水化陽離子進入結構單位層之間使層間距離增大。蒙脫石的晶格活動性極大,膨脹性與壓縮性都比高嶺石大得多。伊利石的的物理性質伊利石礦物在單位層面之間嵌有帶正電荷的鉀離子,單位層之間的聯(lián)結強度介于高嶺石和蒙脫石之間,其膨脹性及壓縮性也介于高嶺石和蒙脫石之間。第三節(jié)粘土顆粒的膠體化學性質土中水與礦物顆粒的相互作用粘土礦物晶格構造不同,對工程性質的影響,本質上是這些礦物的顆粒與土中水相互作用的反映。土中水與固體顆粒之間并不是機械地混合,而是有機地參加土的結構,是一種復雜的物理化學作用。第四節(jié)粘性土工程性質

的利用和改良電滲排水和電化學加固電滲試驗現(xiàn)象:在陽極管中,水自下而上地渾濁起來,與此同時,水位逐漸下降;在陰極管中,水仍是極其清澈,但水位逐漸上升。原因:粘土顆粒向陽極移動;水分子及水化陽離子向陰極移動。電滲排水和電化學加固電泳與電滲在電場作用下,帶有負電荷的粘土顆粒向陽極移動,這種電動現(xiàn)象稱為電泳。水分子及水化陽離子向陰極移動,這種電動現(xiàn)象稱為電滲。電滲排水和電化學加固電滲排水在滲透系數(shù)小于10-6cm/s的飽和軟粘土地層中開挖基坑或進行其它地下工程活動,可以采用電滲排水的方法降低地下水位。電滲排水和電化學加固電化學加固利用電滲電泳原理來改良軟粘土的工程性質。雙液灌漿:在陽極管內灌入氯化鈣溶液,在陰極管內灌入水玻璃溶液,通直流電后生成一種不可溶的二氧化硅凝膠。二氧化硅凝膠既填充了土中的孔隙,又可提高顆粒之間的膠結力,從而使土體的強度提高。粘性土的結構性粘性土的結構性粘性土結構性的產生粘土顆粒在沉積過程中,除受重力作用外,還受到靜電的吸力和排斥作用。粘性土的結構性粘性土的結構類型片堆結構(分散結構)吸引勢均勻分布于粘土顆粒表面,兩個顆粒相互平行地靠在一起,顆粒相互之間大致平行堆積。粘性土的結構性粘性土的結構類型絮凝結構一個土顆粒的邊或角被吸附到另一個土顆粒的帶負電的面上,形成邊與面的接觸。粘性土的結構性粘性土的結構類型重塑結構介于片堆結構與絮凝結構之間。粘性土的結構性粘性土的結構對其工程性質的影響具有片堆結構的土的力學和變形性質具有明顯的方向性,豎向強度大于水平向的強度,水平向的滲透系數(shù)比豎直向大得多。具有絮凝結構的土力學性質無方向性,其結構很不穩(wěn)定,在外力作用下結構很容易發(fā)生破

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